中国冻土对气候变化的脆弱性

时间:2017/6/14 10:58:00 来源:本网 添加人:admin

  冻土一般是指温度在0c或0C以下,并含有冰的各种岩土和土壤,按土的冻结状态保持时间的长短,冻土又可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土三类。多年冻土是指地表下一定深度内地温持续两年以上处于0C以下的土层(土壤、土和岩石),是地质历史和气候变迁背景下受区域地理环境、地质构造、岩性、水文和地被特征等因素共同影响下通过地气间物质和能量交换而发育的客观地质实体,有着独特的自身演变规律,对环境变化极为敏感。中国多年冻土主要分布于青藏高原、西部高山与东北北部地区。以青藏高原为主体的中国多年冻土区面积175.39X104km2,占国土面积的18.3%4.青藏高原多年冻土地下冰储量达9528km3,折合水当量约为86 108m3,是我国冰储量的1.7倍。观测与模型模拟结果表明,中国多年冻土有从边缘向中心萎缩的趋势,且随着气候持续变暖,多年冻土将进一步退化。多年冻土退化,地下冰融化,一方面将导致多年冻土区的地面变形,严重影响区域工程地质的稳定性;另一方面将导致多年冻土区水文地质条件发生改变,影响区域水循环过程与生态环境。近年来,多年冻土显著退化引发的冻融灾害在中国日益显现,且在未来几十年内具有加剧趋势。在气候持续变暖条件下,如何应对冻土变化的影响,是当前和今后段时间内区域生态环境建设与社会经济可持续发展面临的重要问题之一。

  在冻土变化的影响、风险、脆弱性、适应性这一研究链上,影响研究(对工程建设、水文、生态环境、气候)在目前仍占主导地位。近年来,随着冻融灾害日渐凸显与加剧,多年冻土冻融灾害发展趋势与风险性研究受到关注已崭露头基金项目:国家重大科学研究计划(973计划)项目(2013CBA01808);国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金项目冻圈环境变化影响、脆弱性与适应方面的研究工作。E-mail:ianpingZb.ac.cn角。在适应研究方面,虽然针对多年冻土变性的应对策略。就冻土变化的影响与适应之间的联化的生态效应、工程影响、灾害等方面提出了诸多系纽带一脆弱性而言,目前国际和国内几乎均处于对策与建议,但基本仍处于传统意义上的定空白状态。

  中国冻土区域位置与分布范围1中国冻土脆弱性空间分布表1中国冻土脆弱性评价指标体系目标层标准层要素层指标层指标说明冻土的脆弱性暴露度地形坡度厂影响冻土发育的水热条件坡向/°影响冻土发育的水热条件地形遮蔽度指一定范围内要素被遮蔽状况,影响能量的接收海拔/m指冻土所处的位置,该因素是其发育的条件主要气象要素气温变化趋势/(C(10a)-反映气温的变化水平降水量变化趋势/(mm(10a)-反映降水量的变化水平敏感性冻土0cm地温变化趋势/(Ca-1)反映冻土地表温度变化水平冻结深度变化趋势/(cma-1)反映冻结深度变化水平适应能力冻土类型青藏高原多年冻土:用稳定型反映冻土类型,稳定型越高,适应能力越强东北地区多年冻土:用连续程度反映冻土类型,连续系数越大,适应能力就越强冻土的脆弱性是指冻土这自然生态系统对气候变化的脆弱性,在冰冻圈及其变化的脆弱性研究体系中,其处于第一研究梯度,该研究是生态-社会-经济系统对冻土变化影响脆弱性(第二研究梯度)研究的基础。本文以中国冻土为研究对象,通过构建冻土脆弱性评价指标体系,采用空间主成分方法建立评价模型,综合评价冻土对气候变化的脆弱性水平,揭示其脆弱程度与空间分布格局,为各级政府部门科学地应对冻土变化及其影响提供决策依据。

  1资料与研究方法1.1研究区简介中国冻土分布广阔,季节冻土分布于大部分国土,多年冻土分布于青藏高原、西部高山以及东北北部地区。受寒潮天气影响,每年均有一天以上、个月以下时间处在冻结状态的土,称为短时冻土,主要分布于秦岭-淮河线以南与南岭以北地区。短时冻土持续时间短,对生态环境的影响小,故文中研究区未包括之。

  1.2指标遴选原则科学性与实际相结合的原则。冻土是冰冻圈的重要组成部分,而冰冻圈又是气候系统五大圈层之,因此冻土脆弱性隶属气候变化脆弱性的研究范畴,是气候变化脆弱性领域中的自然系统脆弱性分支。借鉴IPCC气候变化脆弱性概念,冻土脆弱性被定义为冻土易受气候变化,尤其是温度变化不利影响的程度,是气候的变率特征、幅度和变化速率及其敏感性和自适应能力的函数。基于此,应紧扣冻土脆弱性定义,依据国际上公认的脆弱性遴选标准(暴露度、敏感性与适应能力),选取冻土脆弱性指标;其次,指标遴选还必须结合我国冻土分布特点与性质类型的实际情况。

  全面性与主导性原则。影响冻土脆弱性的因素众多,既有外部因素,如地形地貌、气候、人类活动等,又有冻土自身因素,如土质、含水量、含冰量等。因此,指标选择既要涵盖各种可能的影响因素,同时还要能够突出影响冻土脆弱性的主导因子。

  可操作性原则。冻土脆弱性评价是一种区域尺度的脆弱性评价,尽管冻土土质、含水量、含冰量等因素可能对其脆弱性有显著影响,但要在如此大尺度上获取这些要素的较高精度数据目前较难。因此,指标遴选不能一味考虑完美性,还必须考虑数据的可获得性。其次,所选指标除代表性外,还要考虑易处理,尽量简单实用,以便于科学评价。

  1.3冻土脆弱性评价指标体系构建依据上述原则,以暴露度、敏感性与适应能力为标准,从地形、主要气候变量、冻土三要素遴选了9个脆弱性指标,构建了我国冻土脆弱性评价体系。该体系包括目标层、标准层、要素层与指标层4级(表1)。暴露度是指系统暴露于主要气候变量的特性和程度,它方面取决于全球气候变化的水平;另一方面取决于系统所处的具体位置。基于此概念,从地形与主要气候变量方面遴选了6个指标,刻画冻土的暴露度。敏感性是系统对外界干扰易于感受的性质。鉴于资料的可获得性与可信性,目前只选取了cm地温和冻结深度变化趋势,反映冻土对气候变化的敏感程度。适应能力为冻土本身的自适应能力,是指冻土系统对气候刺激具有的、在一定范围内自我调整的种能力,主要由冻土系统的内在结构、组成、类型等特征所决定。

  鉴于资料情况,文中只遴选了冻土类型1个指标。1.4数据与处理方法数据及其来源DEM数据。DEM数据来源于国家测绘地理信息局,分辨率为1kmX气象要素数据。鉴于西部部分地区建站较晚,数据序列起始年份不,且存在缺失现象,故选取了全国594个站点的年气温数据,59个站点的年降水量数据,50个站点的°cm地温数据和264个站点的冻结深度数据。气温和降水量数据的序列长度为1961―2007年,°cm地温和冻结深度数据的序列长度为1961冻土数据。文中所用的冻土数据包括多年冻土年平均地温数据和连续系数数据。多年冻土年平均地温数据是库新勃利用青藏铁路沿线2001―2002年的218个地温钻孔资料,根据程国栋等提出的青藏高原地区高海拔多年冻土的分带方案,结合影响多年冻土分布的三向地带性(垂直地带性、纬度地带性和干燥度地带性),利用统计回归的方法在GIS平台上计算得到。连续系数数据来源于。

  数据处理方法DEM反演数据。以1kmX1km的DEM数据为基础,在ArcGIS表面分析模块提取出坡度、坡向和海拔高度。以下空间数据分辨率均为1kmX地形遮蔽度计算方法。地形遮蔽度采用如下公式计算:点为准、边心距为zkm正方形范围内,海拔与中心点高度差大于只的网格点数;N为除中心点外,边心距为zkm正方形范围内的网格点总数。文中从DEM中生成k2.5 200m相对高度的地形遮蔽度栅格数据。

  气象要素数据处理方法。分别计算每个站点1961―2007年的气温和降水量变化趋势,1961一2004年的0 cm地温和冻结深度变化趋势。运用克里格方法(Kriging)对其进行空间插值,再用研究区范围边界去切,得到气温、降水量、0 cm地温和冻结深度变化趋势的空间插值数据。

  冻土类型数据处理方法。中国多年冻土分为高海拔和高纬度多年冻土,二者具有发生学上的共同性,但在分布特点上很不一致,高原多年冻土除受纬度地带性和经向地带性影响外,主要受垂直地带性控制。为此,程国栋等提出以多年冻土年平均地温为主要指标的高海拔多年冻土分带方案(表2)。稳定型越高,多年冻土对气候变化越不敏感,适应能力越强,反之亦然。东北多年冻土属高纬度多年冻土,分带方案使用多年冻土分布的连续程度,连续系数越大,对气候变化的敏感性越差,适应能力就大,反之亦然。基于高海拔与高纬度多年冻土的分布特点,结合专家建议,文中对青藏高原多年冻土采用分带方案,使用年平均地温作为分带依据,年平均地温指示的不同稳定型代表多年冻土的类型;对东北多年冻土采用连续性分带方案,以连续系数作为分带依据,不同连续系数反映不同冻土类型(表3)。高原多年冻土与东北多年冻土在分带上具有定的对应关系,如青藏高原多年冻土分带方案中的上带相当于东北多年冻土分带中的连续多年冻土;中带相当于不连续多年冻土;下带中的不稳定型相当于岛状多年冻土。

  (5)数据标准化方法。为消除各原始变量的表2青藏高原多年冻土分带方案带名年平均地温/°c上带极稳定型稳定型一中带亚稳定型一1.过渡型一0.下带不稳定型极不稳定型表3东北多年冻土分带方案冻土带大片连续不连续岛状多年冻土连续系数年平均地温/°c一4.一1. 5一一量纲差异,采用极差标准化对原始数据进行标准化处理:010之间;为指标在Z格网的原始值;:Tmax,。和ZmqS指标在Z格网的最大值与最小值。

  1.5评价与分级方法据中的种应用,除具有主成分分析法的所有功能之外,它还可处理空间数据,且评价结果比较客观,在生态环境脆弱性与冰川脆弱性评价中已有应用,2001年的0.40.8C,2007年的0.560.92C,显著升高到2013年发布的0. 651.06C,平均为0.85C.尽管温度持续升高,但在当前的升温水平下,气候要素变化只是通过地形对水热的接收与再分布以及影响冻土类型变化,从而间接地影响冻土脆弱性。基于冰川脆弱性预估以及影响因素的研究结果,我们推测,到2030年代和2050年代,随着升温幅度进一步加大,气候要素变化对冻土脆弱性的影响将显现,并将成为冻土脆弱程度的主要影响因素之。不论是冰川,还是多年冻土,气候要素变化对它们脆弱性的影响存在个临界升幅,在这个升温幅度之内,气候要素变化对其脆弱性的影响不明显或者比较小,当超过这个临界升温幅度,气候要素变化的影响会明显的显现出来。我们的推论是否正确,有待将来研究证实。

  表7冻土脆弱性评价指标的方差分析结果脆弱性指标方差坡向海拔冻土类型地形遮蔽度0cm地温变化趋势降水量变化趋势坡度冻结深度变化趋势气温变化趋势35卷3结论与讨论冻土是冰冻圈的重要组成部分,在中国分布广阔,冻土变化对生态、水文、气候以及工程稳定性有重要影响,探讨冻土对气候变化的脆弱性是适应冻土变化诸种影响的前提和基础。文中以中国冻土多年研究成果的积淀为基础,构建了冻土脆弱性评价指标体系,使用空间主成分方法对冻土脆弱性进行了定量评价,得出以下结论:总体上,中国冻土的脆弱性以中度脆弱为主,但青藏高原多年冻土脆弱程度高,主要以极强和强度脆弱为主。

  冻土脆弱性具有显著的空间差异性,青藏高原南部、北部与东北部边缘地区脆弱程度相对最高,藏北高原、西部高山、东北北部多年冻土区脆弱性相对较高,季节冻土区相对较低。与季节冻土相比,多年冻土对气候变化更脆弱。

  在当前升温幅度条件下,冻土脆弱程度主要取决于冻土的地形暴露与冻土对气候变化的适应能力。文中以冻土为研究系统,以气候变化为外部压力,综合评价了冻土对气候变化的脆弱性,得出了一些初步结论。但在指标遴选中,因考虑到中国多年冻土分布广袤,已有观测资料均为点状或线状分布,无法满足面上计算需要,即使有些要素(如活动层厚度)有模拟资料,但是否可用于脆弱性评价还需首先评估这些资料的可信度;其次,中国冻土类型多样,高海拔多年冻土与高纬度多年冻土影响因素有别,为使二者在空间上有机对应起来,且处理比较简单,故而指标选择亦受限。

  冻土的脆弱性与冻土变化影响的脆弱性概念不同,冻土的脆弱性是指冻土对气候变化的脆弱性,而冻土变化影响的脆弱性是指工程系统、自然生态系统、生态-社会-经济系统受冻土变化影响的脆弱性,二者的研究系统、外部压力、研究目的等不同。目前,科学界与工程界高度关注的其实是冻土变化影响的脆弱性。而作为前提与基础,本文的冻土脆弱性研究结果只能回答冻土对气候变化的脆弱程度,空间分布与关键影响因素,还不能解释冻土变化后产生的一些问题,这有待于冻土变化影响的脆弱性与适应性研究来完成。

  致谢:多年冻土年平均地温数据由吴青柏研究员提供;吴青柏研究员、金会军研究员、张中琼博士等为我们深入理解冻土脆弱性概念与遴选评价指标提供了诸多宝贵建议,在此并表示感谢。

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